基于SOI壓阻式噪聲傳感器的聲學動態特性分析與設計

史 鑫， 王 偉， 李金平

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

飛行器飛行過程相關的發動機噪聲、氣動噪聲造成的噪聲環境，形成的聲壓可達160 dB以上，可以使蒙皮壁板產生很大的局部振動[1]，易導致某些儀器設備性能衰退或發生故障，嚴重時會造成結構疲勞。因此，外噪聲測量一直是系統設計的重點之一，通過噪聲傳感器測量發射及飛行過程中外噪聲信號，可為分析研究噪聲環境及影響提供數據，在此基礎上，進行進一步的分析研究工作，使結構設計可以針對結構疲勞原理實現合理避讓，保證系統安全。由于測量外噪聲信號時噪聲傳感器一般安裝于被測艙體外表面，使用環境較為惡劣，有時工作溫度較高(瞬時可達200 ℃以上)，此外，為了保證測試精度，不使被測聲場產生畸變，要求噪聲傳感器外形尺寸盡量小[2]。目前，一般可查的噪聲傳感器的工作溫度最高為150 ℃，無法滿足外噪聲測量的需要。采用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)技術制作的壓阻檢測原理噪聲傳感器，使其在高溫等惡劣環境下仍具備優良的性能[3，4]，且具有體積小、功耗低等特點。SOI高聲壓噪聲傳感器技術采用硅壓阻式原理[5]，當聲信號作用在感聲膜時，由于薄膜發生形變，引起感聲膜中電阻值發生變化，通過檢測電路將信號輸出以達到檢測噪聲信號的目的。

本文針對SOI壓阻式噪聲傳感器的動態測量問題，對SOI感聲膜芯片及聲敏感結構進行了分析與設計，實現了噪聲信號的動態檢測。

1 感聲膜結構設計與分析

對于噪聲傳感器，頻率特性是設計的重點[6]。SOI噪聲傳感器的頻率特性設計需要考慮2個方面，即感聲膜結構和聲學結構。感聲膜結構，頻率特性主要取決于其固有頻率，因此,在感聲膜結構設計上除考慮外形尺寸，還應同時兼顧動、靜態參數。通過ANSYS軟件對高聲壓感聲膜結構進行靜態、動態分析及參數優化技術研究，確定芯片的合理結構和關鍵尺寸。

遵循應力集中的原則，采用梁膜結構，即利用硅膜的剛度系數與其膜厚的立方成正比的原理，只要梁區較膜區厚，便會產生足夠的應力集中效應，同時，梁膜結構還可以利用梁的寬度變化進一步得到應力集中效應[7]，結構示意如圖1。其結構特點為力敏電阻應變計制作在應力集中的厚梁區，膜區的厚度不受力敏電阻應變計的限制，結構上具有良好的頻響特性，且對噪聲動態范圍設計可控。通過ANSYS軟件對高聲壓感聲膜結構進行靜態、動態分析及參數優化，對感聲膜結構的應力分布進行模擬分析，確定了各部分的幾何尺寸和壓敏電阻器的排布方式。

圖1 感聲膜結構示意

圖2 感聲膜結構前三階振型

圖3 感聲膜結構靜態分布

2 聲敏感結構分析與設計

當感聲膜結構與聲腔結構構成聲敏感結構時，需要考慮各部分聲學結構件的聲學特性，利用聲學特性分析基礎進行聲學結構設計，以保證噪聲傳感器的頻響特性，聲敏感結構如圖4。預設傳感器的諧振頻率為40 kHz。

圖4 聲敏感結構示意

根據聲學特性進行電—力—聲類比[8]，p為聲波產生的作用在感聲膜上的聲壓，Mm為感聲膜的質量，Cm為感聲膜的力順(Cm=1/Km，Km為感聲膜的剛度系數)，Rm為其力阻，V1為感聲膜背面的腔體體積，其在線路中表現為聲順Ca，Ma和Ra為腔體后面小孔的聲學質量和聲阻，類比線路如圖5，聲壓p可以類比為電路中的電壓E，力學質量和聲學質量類比為電感量L，力阻和聲阻類比為電阻值R，力順和聲順類比為電容值C，聲場中流體的體積速度U類比電路中的電流I，根據電路可知

I=E/Z

(1)

其中

(2)

可見由于電感和電容的存在，導致類比電流在不同頻率上響應不一致，因此,聲腔的頻率特性與1/|Z|有關。對于噪聲傳感器，要求其頻響曲線變化平坦，需對感聲結構的力學和聲學元件參數進行優化設計，以減小頻率對聲阻抗的影響。

圖5 聲腔類比線路

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

力阻參數(阻尼系數)利用二階系統的阻尼特性確定，當感聲膜在聲信號作用下運動時，空氣膜在感聲膜與聲腔結構之間作擠壓流動產生阻尼，阻尼系數為

(10)

式中A為感聲膜的寬度，m；L為感聲膜的長度，m；K(A/L)為感聲膜寬長比的函數，當A=L，K(A/L)=0.421 7；h為聲腔的高度，m；μ為空氣粘滯系數,Pa·s。

若聲腔結構具有n個聲孔，當感聲膜上下振動時，空氣膜通過n個聲孔流入、流出聲腔結構，阻尼系數為

(11)

根據二階系統，調整阻尼，可使阻尼比ξ=0.7，可使系統的工作帶寬、響應時間、穩定性等達到最佳狀態，阻尼比為

(12)

當膜的結構確定后，系統的臨界阻尼系數確定，通過調整聲腔高度，聲孔的個數調整阻尼系數，使阻尼比ξ=0.7。結合聲學特性，通過調整聲腔、聲孔的尺寸，改變聲容、聲阻特性，進一步調整聲腔的頻率特性。經過上述分析，確定聲腔的結構，如圖6，聲孔個數25，聲孔直徑0.15 mm，聲孔長度0.46 mm，聲腔的高度0.04 mm。頻率特性如圖7。圖7中的諧振頻率為62.83 kHz，滿足諧振頻率的要求。利用二階系統動態特性及聲學特性對聲腔結構動態特性進行分析及設計，通過改變聲腔的結構參數可以調整聲腔的頻率特性。采用激光打孔加工聲敏感結構。

圖6 聲腔結構示意

圖7 聲腔的頻率特性

3 動態測試

對感聲膜芯片與聲敏感結構玻璃基座進行靜電鍵合，用硅膠將封裝后的芯片粘接于測試管殼，如圖8。

圖8 封裝后測試的噪聲傳感器芯片

利用激波管測量敏感結構的諧振頻率。將被測階段樣品密封安裝在激波管前端，激波管產生一階躍壓力，用數據采集器記錄芯片輸出波形，經過傅立葉變換，其諧振頻率為102 kHz左右。將被測樣品密封安裝在聲校準器中，由聲校準器產生標準聲壓級的聲信號作用在傳感器上，測得頻響曲線如圖9。在30～8 000 Hz頻率范圍內,帶內不平度為±1 dB，經過測試，結果表明:制作的敏感結構能夠滿足高聲壓級的噪聲檢測要求。

圖9 頻響曲線

4 結 論

動態測試結果表明：制作的SOI噪聲傳感器能夠滿足高聲壓級的噪聲檢測要求。在對聲場模型分析基礎上建立噪聲檢測模型，確定通過檢測感聲膜的受力情況實現對噪聲信號的測量。利用聲學特性分析基礎進行聲學結構設計，感聲膜與聲腔匹配結構封裝成聲敏感結構，使噪聲傳感器具有良好的動態檢測特性。

參考文獻:

[1] 馬大猷.噪聲與振動工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2002：174-176.

[2] 張 強，王華明.直升機噪聲信號的小波分析[J]．聲學學報，2001，26(5):450-454.

[3] Zhao Yulong，Zhao Libo，Jiang Zhuangde.A novel high temperature pressure sensor on the basis of SOI layers[J].Sensors and Actuators: A，2003，108：108-111.

[4] 郝一龍，張立憲，李 婷,等.硅基MEMS技術[J]．機械強度，2001，23(4):523-526.

[5] 張書玉，張維連，索開南,等.SOI高溫壓力傳感器的研究[J]．傳感技術學報，2006，19(4):984-987.

[6] 李科杰.新編傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社，2002：806-807.

[7] 李 忻，車錄鋒，王躍林.一種超薄硅薄膜的制作方法[J]．功能材料與器件學報，2002(8):388-400.

[8] 杜功煥.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001：130-145.